INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
CZ.1.07/1.1.00/08.0010
SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ JAKO ZDROJ ENERGIE ING. JAROSLAV BENEDIKT
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Sluneční záření jako zdroj energie Ing. Jaroslav Benedikt
Tepelný tok ze Slunce na Zemi, Slunce, Využití sluneční energie–rozdělení, Intenzita slunečního záření na povrchu Země, Systém pro ohřev tekutin, Solární kolektor, Návrh solárního systému pro ohřev vody, Fotovoltaické systémy na výrobu elektřiny, Solární panel–princip činnosti, Na závěr Sluneční energie dopadající na Zemi patří do kategorie obnovitelných zdrojů, protože neustále dopadá na povrch natočený ke slunci.
Obr. 1. Slunce je zdrojem života a nikdy nedovolí, aby mělo lidstvo nedostatek energie. Pokud tomu tak bud, je na vině pravděpodobně člověk.
Tepelný tok ze Slunce na Zemi Sluneční energie je proud elektromagnetického záření nebo–li sluneční záření vysílaný z povrchu slunce na osvětlenou stranu Země. Slunce lze považovat za černé těleso [13], což podle Planckova vyzařovacího zákona značí, že vyzařuje energie ve formě elektromagnetického záření v celém rozsahu vlnových délek odpovídající vyzařování černého tělesa o téže teplotě jako je teplota povrchu slunce 5770 K. Černé těleso o této teplotě vyzařuje nejvíce energie v oblasti viditelného záření viz. spektrální zářivost černého tělesa a Slunce např. [1, str. 64].
Obr. 2. Střední vzdálenost Země od Slunce v měřítku. 149,6·10 km střední vzdálenost Země od slunce, 1348,333 W/m2 sluneční konstanta*, 172 000 TW přibližný celkový výkon slunečního záření dopadající na hranici atmosféry Země, 299 793 km/s rychlost světla ve vakuu, 8:19 min doba, za kterou urazí světlo vzdálenost Slunce-Země. Zdroj [2] 6
*Sluneční konstanta Celkové množství sluneční energie (ve všech vlnových délkách), která dopadá za jednotku času [s] na jednotku plochy [m2] umístěnou kolmo na směr paprsků ve střední vzdálenosti Slunce–Země. Velikost sluneční energie dopadající na Zemi lze určit ze sluneční konstanty a průměru Země. Zářivý výkon Slunce směrem k Zemi je tedy přibližně 172 000 TW. Ale ne celý tento zářivý tok se dostane až k povrchu Země. I ta energie, která nakonec dopadne na povrch Země se po různých přeměnách musí přeměnit opět na tepelnou energii a být vyslána zpět do vesmíru společně s geotermální energii a dalšími energiemi (kinetická energie dopadající meteoritů, slapová energie, energie uvolněná z jaderných reakcí...). V opačném případě by se teplota Země začala zvyšovat. Naopak pokud by Země vysálala do okolního vesmíru více energie došlo by k ochlazování Země:
Obr. 3. Slunečního záření při průniku atmosférou Země. 100 % představuje zářivý výkon směrem k Zemi (172 000 TW), 31 % odraz od horních vrstev atmosféry, 17,5 % pohlceno atmosférou, 32,7 % dopadá na oceány, 4,3 % odraz od souše, 14,4 % pohlceno souší (přeměněno na teplo Země), 0,1 % spotřeba na fotosyntézu. Slunce vyzařuje energii prakticky v celém rozsahu vlnových délek. Atmosféra Země většinu záření vlnových délek jiných než odpovídá viditelnému světlu pohlcuje nebo odráží a na povrch Země dopadá téměř už jen viditelné světlo a část ultrafialového záření.
Slunce V jádru slunce probíhá za vysokého tlaku a teploty 15 000 000 K termonukleární reakce [14] a to slučováním vodíku respektive jeho izotopů deuteria a tritia v helium. Přitom se uvolňuje obrovské množství energie v podobě velmi krátkovlnného záření gamma. Tato energie se na povrch slunce dostává částečně vedením a v blízkosti povrchu konvekcí. Přitom dochází k rozptýlení, k pohlcení a znovu vyzáření energie tak, že na povrchu
Slunce už vyzařována energie obsahuje široké spektrum záření a ne pouze gamma, které by mělo negativní vliv na život na planetě Zemi. Tento rozptyl způsobí, že efektivní teplota povrchu slunce je přibližně 5700 K a více jak polovina veškeré vyzařované energie je v oblasti viditelného spektra tedy o vlnové délce 400 až 700 nm. Doba, za kterou dojde k rozptylu a tato energie se dostane na povrch slunce je přibližně 2 000 000 let:
Obr. 4. Slunce. H 81,76 % objemový podíl vodíku, He 18,17 % objemový podíl helia, 1,987·1030 kg hmotnost, 1 392 000 km průměr, 480 000 km průměr jádra, 15 000 000 K teplota v jádru, 5 770 K teplota fotosféry (viditelný povrch), 3,826·1020 MW zářivost slunce. Literatura: [1], [2], [15, str. 313] fotografie Slunce [12]–pořízena během jedné z misí na stanici Skylab v roce 1973.
Využití sluneční energie–rozdělení Největším spotřebitelem sluneční energie je sama Země a její flóra a částečně i fauna (tzv. vyhřívání na slunci, světlo) souhrnně nazývané biosféra (veškerá živá hmota na planetě Zemi). Ohřev atmosféry a povrchu Země je hlavním zdrojem klimatických procesů jako je proudění oceánské, vzdušné. Dále vypařování a déšť. Pomocí těchto procesů je na Zemi udržováno klima vhodné pro Život. Například bez Slunce by na Zemi byla teplota pouze -263°C (bez geotermální energie dokonce jen -270°C). Člověk využívá sluneční energie k výrobě jiného druhu energie mnoha způsoby závisející na druhu vyráběné energie, způsobu a místu:
Obr. 5. Obecné rozdělení systému využití slunečního záření a jejich příklady.
Pasivní vnější plášť budovy je konstruován tak, aby zachytil co největší množství energie v topném období (uplatňování pasivního systému na budovách se nazývá solární architektura), fototermický přeměna sluneční energie na tepelnou energii ve formě ohřátí pracovní tekutiny například ve slunečním kolektrou (viz. níže), fotovoltaický přímá přeměna sluneční energie na energii elektrickou (viz. níže).
Intenzita slunečního záření na povrchu Země Intenzita slunečního záření na povrchu Země je množství sluneční energie v kWh dopadající na m2 povrchu Země. Tato intenzita je především závislá na zeměpisné šířce. Vliv má i průměrné počasí v dané oblasti především množství oblačnosti:
Obr. 6. Množství sluneční energie dopadající na povrch České republiky [3]. Jedná se o úhrn záření dopadající kolmo na povrch země při jasné bezoblačné obloze. Jak je patrné množství energie se rychle zvyšuje s nižší zeměpisnou šířkou. Například v Alžírsku již dosahuje měrné množství dopadajícího záření úhrnu 2000 kWh/m2. Intenzita slunečního záření dopadající na plochu pod vrstvou atmosféry se skládá z přímého záření a difuzního záření:
Rov. 1. Intenzita slunečního záření blízko povrchu Země. I [W/m ] intenzita slunečního záření blízko povrchu Země, Ip [W/m2] přímé sluneční záření, ID [W/m2] difuzní sluneční záření. Zdroj: [4, str. 38]. 2
Přímé záření Sluneční záření, které při průchodu atmosférou není odraženo ani pohlceno a znovu vyzářeno. Difuzní záření Sluneční záření, které se odrazilo od částeček obsažených v atmosféře (vodní kapky, prach...) a změnilo směr. Vlnová délka tohoto záření zůstává stejná jako před odrazem. Množství difuzního záření závisí na oblačnosti a znečištění atmosféry. Tyto jevy naopak zmenšují množství přímého záření. Například při zatažené obloze dopadá na povrch Země pouze difuzní záření.
Při výpočtu úhrnné sluneční energie dopadající na libovolný povrch je třeba vycházet i z údaje o skutečné době slunečného svitu v daném období, místo pro které je výpočet prováděn a z naklonění povrchu vůči přímému záření:
Rov. 2. Denní úhrn sluneční energie dopadající na m2 plochy. QS den [kWh/m2] denní úhrn sluneční energie dopadající m2 plochy,, τ [1] poměrná doba slunečního svitu, τskut [hod] skutečná doba slunečního svitu, τteor [hod] teoretická doba slunečního svitu (100 % bezoblačná obloha), QS den teor [kWh/m2] úhrnná sluneční energie dopadající na daný povrch při daném znečištění atmosféry bez oblačnosti za celý den (bývá tabelována v závislosti na stupni znečištění atmosféry a úhlu orientaci osluněné plochy), QD den [kWh/m2] úhrn energie dopadajícího difuzního záření na plochu m2. Literatura [4, str. 38] (jsou zde i potřebné tabulky). K tomu, aby bylo možné odečíst z tabulek požadované hodnoty je nutné definovat orientaci vyšetřované plochy vůči Slunci:
Obr. 7. Dopad slunečního záření na obecně položenou plochu. a azimut slunce, as azimut osluněné plochy, α sklon plochy od vodorovné roviny, h výška slunce nad obzorem, γ úhel dopadu slunečních paprsků. Literatura [4, str. 24].
Systém pro ohřev tekutin Pomocí solárních kolektorů lze ohřívat vodu, vzduch nebo jiné látky. Sluneční energie lze těmito způsoby využívat jak pro vytápění, výrobu elektrické energie tak i v chemickém průmyslu. Sluneční kolektor bývá v ČR nejčastěji spojován s ohřevem vody pro užitkové účely (teplá užitková voda), pro vytápění (ústřední vytápění vodním nebo vzduchovým okruhem):
Obr. 8. Schéma jednoduchého zařízení pro ohřev teplé užitkové vody. 1 solární kolektor, 2 potrubí, 3 oběhové turbočerpadlo, 4 zásobník teplé užitkové vody, 5 pojistný ventil, 6 expanzní nádoba, 7 tepelný výměník, 8 přívod chladné vody, 9 vývod teplé vody. Celý okruh musí být vybaven pojistným ventilem proti vzrůstu tlaku vlivem přehřátí (vyvedení výfuku pojistného ventilu viz. norma). Expanzní nádoba vyrovnává tlakové pulzace (aby nedošlo k otevření pojistného ventilu). V zeměpisných šířkách ČR je zpravidla nutné zdroj tepla založený na sluneční energii v zimních měsících doplnit dalším zdrojem (elektřina, kotel, biomasa...), pro relativně nízkou intenzitu dopadajícího slunečního záření.
Solární kolektor Je to sběrač slunečního záření, jehož prostřednictví je ohřívána pracovní látka nebo je solární energie koncentrována do určitého místa. Dokonalý sluneční kolektor přeměňuje záření na tepelnou energii. Tato přeměna se děje při dopadu slunečního paprsku na plochu absorbéru, kterým je pohlcen. Jako každé těleso, tak i absorbér vyzařuje zpět do prostoru elektromagnetické záření, které odpovídá teplotě jeho povrchu [13]. Toto záření zpět do prostoru by představovalo ztrátu na výkonu kolektoru. Proto dokonalý povrch absorbéru by měl mít povrch s a=1 (součinitel realtivní absorbce [13]) a s ε=0 (poměrná zářivost [13]). Možnost jak snížit poměrnou zářivost povrchu absorbéru je na povrch absorbéru nanést tzv. selektivní vrstvu. Jedná se o kompromis mezi poměrnou zářivostí a absorpcí povrchu. Kdy poměr a/ε takového povrchu by měl být co největší (zpravidla 5 až 10). Takovými povrchy jsou tenké vrstvičky tmavého kovu např. niklu a chromu nanesené na vrstvu lesklého leštěného kovu hliník. Celý absorbér bývá uložen v izolované skříní a ve směru slunečního záření zakryt transparentní vrstvou (s co nejnižší odrazivostí r→0 [13]) průchodnou slunečními paprsky (sklo). Tato vrstva uzavírá kolektor proti odvodu tepla vedením a konvekcí (okolní vzduch) a chrání absorbér (nepřízeň počasí-déšť, sníh..). Pouze pro sezónní provoz jsou určeny absorpční matrace, které nejsou umístěné v izolované skříni a chráněné transparentní vrstvou. Jsou určeny například pro ohřev vody v bazénech atd.:
Obr. 9. Základní typy a části slunečních kolektorů. 1 transparentní vrstva, 2 absorpční plocha, 3 izolace a skříň kolektoru, 4 odrazná plocha (reflektor), 5 skleněná trubice, 6 lesklý povlak na vnitřním povrchu trubice, 7 odrazový povlak pro tepelné paprsky, 8 absorpční trubky. Více o konstrukci [4, str.96], [5, str. 29]. Kolektory na obr. 9 jsou určeny především pro ohřev vody o teplotě do 100°C, výjimečně 200°C. Existují však aplikace využívající sluneční záření přeměněné na vysokopotenciální teplo o až 2000°C. Sluneční paprsek podléhá zákonům optiky proto ho lze koncentrovat v ohnisku, kde teplota může dosáhnout několik stovek stupňů Celsia. Takovým kolektorům se říká koncentrující kolektory. Nevýhodou těchto kolektorů je, že dokážou využít pouze přímé sluneční záření nikoliv difuzní:
Obr. 10. Koncentrující kolektory. a parabolické zrcadlo, b solární věž. 1 přímé sluneční paprsky, 2 odražené sluneční paprsky, 3 ohnisko (sběrač, kaverna), 4 natáčivá zrcadla, 5 kaverna, 6 sloup. Koncentrující sluneční kolektory se používají především pro ohřev pracovního média tepelných motorů s vnějším přestupem tepla (Stirlingův motor [8, zl], výroba páry [6] pro parní turbínu [16], pístový parní motor [7], ). Účinnost přeměny (tedy i velikost motoru vzhledem k jeho výkonu) tepelné energie v mechanickou práci je tím větší čím větší je
podíl rozdílu střední teploty přívodu a odvodu tepla ku střední teplotě přívodu tepla viz. Carnotův oběh [17]. Obecně je střední teplota odvodu tepla dána teplotou chladícího média (voda či vzduch), která bývá o něco vyšší než teplota okolí. Proto je snaha, aby alespoň střední teplota přívodu tepla do oběhu byla co největší.
Návrh solárního systému pro ohřev vody Vypočtěte celkovou plochu slunečního plochého kolektoru pro ohřev vody pro období prosinec. Teplo je určeno pro ohřev teplé užitokové vody v oblasti Brna. Denní spotřeba 120 l a voda se v kolektoru ohřívá z teploty 10°C na teplotu 50°C. Kolektory jsou otočené na jih a skloňeny pod úhlem 90°. Výsledek porovnejte s velikostí slunečního kolektoru pro měsíc červenec a sklon kolektoru 30°. Úloha 1 Při řešení úlohy doporučuji postup uvedený v [4]. /prosinec: 20,56 m2, červenec: 1,33 m2/
Fotovoltaické systémy na výrobu elektřiny Ze slunečního záření lze vyrábět přímo elektrickou energii pomocí fotovoltaického systému. Takový sytém je složen ze solárních panelů, nezbytné řídící elektroniky a napojení na spotřebič popřípadě je systém napojený na distribuční soustavu pro sdílení přebytku vyrobené elektřiny nebo nedostatečného výkonu:
Obr. 11. Schéma solárního systému pro výrobu elektrické energie v domácnosti. 1 solární panel (obrázek z [9]), 2 střídač (převádí stejnosměrný proud ze solárního panelu na střídavý), 3 domácnost, 4 zásobník teplé užitkové vody, 4 distribuční soustava.
Solární panel – princip činnosti Solární panel se skládá ze solárních článků o velkosti okolo 10x10 cm. Solární článek je tvořen křemíkovou (velice čistý křemík) destičkou tloušťky přibližně 0,3 až 0,5 mm. Na vrchní straně (ta nakloněná ke Slunci) a spodní straně destičky je obohacen křemík rozdílnými příměsi. Tyto příměsi* způsobí, že horní vrstva bude mít záporný náboj a spodní kladný respektive horní vrstva bude polovodič typu N(-) dolní polovodič typu P(+). Rozdíl el. nábojů obou desek vytvoří mezi nimi napětí o velikosti přibližně 0,5 V. Při dopadu slunečního záření o určité vlnové délce na horní vrstvu dojde v důsledku fotoefektu k uvolnění elektronů ve vrchní vrstvě křemíku, které jsou v důsledku existujícího napětí odváděny přes spotřebič ke spodní vrstvě pomocí sběrných vodičů na vrchní vrstvě a vodivé destičky na spodní vrstvě. Tímto způsobem vznikne elektrický obvod. Poznámka*
U polovodiče typu N se jedná například o příměs fosforu, u polovodiče typu P o příměs boru.
Obr. 12. Schéma solárního článku. 1 polovodič typu N, 2 polovodič typu P, 3 směr ozáření článku, 4 sběrné vodiče, 5 el. spotřebič. Aby docházelo k efektivnějšímu pohlcování slunečního záření je vrchní vrstva článků potažena atireflexní vrstvou. Více o funkci a charakteristice například v [10]. Velikost proudu respektive výkon jednoho článku zavísí na jeho ploše a pohybuje se okolo 2...3 až 6 A max. Výkon panelu závisí na počtu destiček, které jsou na něm umístěny. Pro zvýšení napětí se jednotlivé články zapojují sériově.
Na závěr Celková primární energie spotřebovaná lidstvem v roce 2000 byla 10 400 Mtoe. Což průměrně představuje cca 14 TW výkonu. Toto číslo představuje méně jak 9 % toho co příroda spotřebuje na fotosyntézu. Sluneční záření dopadající na povrch České republiky poskytuje ročně asi 90 000 TWh energie. Ploch použitelných pro fotovoltaické systémy je 50 200 000 m2, což potenciálně představuje ročně asi 5 500 GWh. Existují i jiné systémy využívající sluneční energii např. Solární komín. Plocha pod komínem (skleník) je ohřívána slunečním záření, které zahřívání vzduchu ve skleníku vytváří jeho proudění na základě komínového efektu od okraje skleníku směrem ke komínu. Na vstupu do komína, kde dosahuje vzduch nejvyšší rychlosti jsou turbíny (větrné turbíny), které využívají kinetickou energii proudu k výrobě elektřiny:
Obr. 13 Solární komín. Postavený v roce 1986 v Manzanares ve Španělsku, který dosahuje výkonu až 50 kW. Přičemž 75% plochy pod skleníkem je využito jako skleník pro zemědělskou výrobu. Fotografie: Benoit Michel, 2007 [11]. Sluneční energie je neregulovatelný zdroj energie (podobně jako většina obnovitelných zdrojů) nelze zvýšit její výkon v okamžiku, kdy je nedostatek například elektřiny. Proto se vyvíjí systémy na uskladnění přímo elektrické energie [18] (nemusí pocházet pouze ze sluneční) nebo tepla uchovávané v akumulačních nádrží s teplonosným médiem [19]. V době nedostatku slunečního svitu se využije uskladněné energie.
